污泥雙回流-AOA工藝在北方城鎮(zhèn)污水處理中的應用研究

摘 要：污泥雙回流-AOA是國際領先的城市污水節(jié)能降碳技術，在南方地區(qū)得到了較好的應用和推廣，在北方城鎮(zhèn)污水廠還沒有得到大規(guī)模應用，本文以北方某城鎮(zhèn)污水廠為依托，建立了基于污泥雙回流-AOA工藝的中試系統(tǒng)來處理低C/N城鎮(zhèn)污水，處理規(guī)模為120m3/d，在無外加碳源投加的情況下，考察了該工藝對COD、氨氮、總氮和總磷的處理效果，在系統(tǒng)連續(xù)運行27d后，排除60%的剩余污泥，并對污泥濃度進行連續(xù)監(jiān)測。結果表明，在無外碳源投加的情況下，污泥雙回流-AOA工藝處理北方低C/N城鎮(zhèn)污水仍然具有較好的污染物去除效果和較低的剩余污泥產(chǎn)量。

關鍵詞：AOA；C/N；城鎮(zhèn)污水；污泥雙回流

中圖分類號：X 703" " 文獻標志碼：A

當前大多數(shù)的城鎮(zhèn)污水處理廠采用高能耗的技術，不僅帶來間接的碳排放，還增加了能源消耗和運行成本[1]。主要存在以下3個問題。1）用電量大。從能耗來看，我國城鎮(zhèn)污水處理廠平均電耗約0.48kWh/m3，其中鼓風機為第一大耗電設備[2]，耗電量超過50%。2）碳源消耗大。北方城鎮(zhèn)污水的C/N比較低，在處理過程中需要加入甲醇、葡萄糖等外源碳將污水中的NO3--N全部還原為N2，增加了污水處理成本，而且增加了污泥的產(chǎn)量。3）污泥產(chǎn)量大。預計到2025年，我國含水率80%的污泥年產(chǎn)量將達到1.6億t。但是調研結果顯示，我國污水處理廠所產(chǎn)生的污泥有70%沒有得到妥善處理。

污泥雙回流-AOA是北京工業(yè)大學彭永臻院士團隊首創(chuàng)的國際領先的城市污水節(jié)能降碳技術，在海南、廣東等地得到了廣泛應用且效果良好。AOA新技術將缺氧區(qū)后置，污水依次流經(jīng)厭氧-好氧-缺氧（A-O-A）生物反應池，TN去除效率顯著提高[3]。與傳統(tǒng)的A2/O、A/O工藝相比[4]，該工藝外碳源投入量少、污泥產(chǎn)量低、能耗明顯降低，提高了比內源反硝化速率且實現(xiàn)了深度去氮的目標[5]。本文研究污泥雙回流-AOA工藝在不加碳源的情況下處理北方低C/N城鎮(zhèn)污水，并研究了系統(tǒng)的剩余污泥產(chǎn)生情況，以期對污泥雙回流-AOA工藝在北方低C/N城鎮(zhèn)污水處理上的工程應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 中試裝置及運行方式

AOA工藝中試裝置系統(tǒng)如圖1所示。中試裝置由AOA生化池和二沉池2個主體反應器組成。AOA生化池為長方形反應池，依次劃分為厭氧區(qū)、好氧區(qū)、缺氧區(qū)。該裝置工藝流程如下：潛污泵將污水處理廠細格柵出水輸送到本中試裝置系統(tǒng)，依次流經(jīng)生化池的厭氧區(qū)、好氧區(qū)、缺氧區(qū)，生化池出水進入二沉池，泥水分離后，上清液排出，沉淀污泥分2路回流到AOA生化池，一路回流到厭氧區(qū)前端（第一污泥回流），一路回流到缺氧區(qū)前端（第二污泥回流）。

1.2 試驗水質與接種污泥

本研究中使用的污水來自北方某城鎮(zhèn)污水處理廠細格柵出水，水質特征包括COD、NH4+-N、TN、TP，水質特征值范圍見表1。其中，污水平均C/N為4.22（試驗用的污泥來自該污水處理廠生化池）。

1.3 試驗方法

從污泥雙回流-AOA系統(tǒng)進水和出水處取水樣，用15μm～25μm的濾紙過濾后進行水質指標檢測。試驗的主要方法如下。1）在本中試裝置啟動初期，引入污水處理廠細格柵出水作為原水，并投加該污水處理廠生化池污泥，系統(tǒng)運行期間無外碳源投加，無剩余污泥排放，監(jiān)測生化池進出水各項指標。2）系統(tǒng)連續(xù)運行27d后，排除剩余污泥的60%，無外碳源投加，無剩余污泥排放，第一污泥回流100%，第二污泥回流200%，系統(tǒng)繼續(xù)運行15d，在此過程中，監(jiān)測生化池進出水各項指標及好氧區(qū)污泥濃度，系統(tǒng)進水量為5m3/h，HRT為15h。

1.4 分析方法

COD、NH4+-N、TN、TP均采用美國哈希（HACH）快速測定儀法，MLSS（混合液懸浮固體濃度）采用質量法，DO、溫度采用美國哈希在線監(jiān)測儀監(jiān)測。

2 結果與討論

2.1 對污染物的去除效果

2.1.1 對COD的去除效果

本試驗對COD的去除效果如圖2所示。進水COD平均為176mg/L，出水COD平均為28mg/L，平均去除率為84.11%，去除效果良好。COD的去除主要發(fā)生在生物池的厭氧區(qū)，城鎮(zhèn)生活污水中的COD絕大部分為可生物降解的溶解態(tài)COD，厭氧段，在厭氧菌的作用下，發(fā)生水解酸化，生成易被微生物利用的有機揮發(fā)酸VFA，厭氧菌同化吸收VFA，儲存于細胞內，為后續(xù)合成自身物質做準備。在生物池的缺氧段也會有部分COD被去除，缺氧段主要發(fā)生反硝化細菌的反硝化脫氮作用，反硝化細菌屬于異養(yǎng)菌，反硝化作用的進行需要消耗外部碳源。

2.1.2 對NH4+-N的去除效果

本試驗對NH4+-N的去除效果如圖3所示，進水NH4+-N平均為37.21mg/L，出水NH4+-N平均為2.49mg/L，平均去除率為93.48%，去除效果較優(yōu)。在城市污水和工業(yè)廢水中，氮主要以有機態(tài)或氨氮的形式存在。有機氮包括蛋白質和尿素，在氨化菌的作用下，分解轉化為氨氮，一部分氨氮發(fā)生同化作用，被細菌合成自身組成物質，而另一部分氨氮則通過硝化作用轉化為硝酸鹽氮。硝化作用是由專門的自養(yǎng)微生物分2個階段進行的生物過程：亞硝化細菌將氨氮氧化為亞硝酸鹽氮，硝化細菌將亞硝酸鹽氧化成硝酸鹽氮，硝化作用主要發(fā)生在生物池的好氧區(qū)。

2.1.3 對TN的去除效果

本試驗對TN的去除效果如圖4所示，進水TN平均為38.01mg/L，出水TN平均為8.36mg/L，平均去除率為78.26%，去除效果良好?？偟娜コ饕揽咳毖醵蔚姆聪趸饔?，反硝化作用是指反硝化細菌在缺氧條件下還原硝酸鹽并產(chǎn)生氮氣的過程。生物脫氮是通過硝化細菌和反硝化細菌的聯(lián)合作用去除污水中的含氮污染物。反硝化作用是缺氧反應（無氧氣，但有氧化態(tài)氮），需要提供電子供體，電子供體一般為原水中可生物降解的有機物，傳統(tǒng)的A2/O、A/O工藝需要在缺氧段投加外碳源，而污泥雙回流AOA工藝不需要投加外碳源，主要依靠內源反硝化，增加的第二污泥回流將二沉池底部污泥厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的易利用碳源輸送至缺氧區(qū)，有利于反硝化的進行。

2.1.4 對TP的去除效果

本試驗對TP的去除效果如圖5所示，進水TN平均為3.76mg/L，出水TN平均為0.26mg/L，平均去除率為92.73%，TP的去除率比較高。在生物除磷過程中，總的流程是原水中的磷進入細菌細胞，然后以剩余污泥的形式排放到系統(tǒng)外。聚磷菌PAO可以在厭氧和好氧交替的環(huán)境中，將磷以多聚磷酸鹽的形式吸收、匯集在細胞內。在厭氧段，聚磷菌利用釋放正磷酸鹽獲得的能量吸收乙酸和糖原，合成聚羥基脂肪酸酯（PHB）并儲存于細胞內，聚磷菌中的PHB將隨著多聚磷酸鹽減少而增加。在好氧段，聚磷菌體內儲存的PHB被代謝掉，為新細胞的生長提供能量和碳源，PHB代謝所提供的能量形成了多聚磷酸鍵，使可溶性正磷酸鹽被重新吸收并以多聚磷酸鹽的形式進入細菌體內。聚磷菌在厭氧階段充分釋磷，在好氧階段重新吸磷，這是磷被去除的原因。

2.2 污泥濃度影響分析

在排泥前，系統(tǒng)的污泥濃度較高，由于無外加碳源，進水COD無法滿足系統(tǒng)內大量微生物生長代謝的需求，大批微生物因碳源不足而死亡，菌膠團解體，生物池液面上漂浮大量“死泥”，不利于泥水分離。說明在無外加碳源的情況下，需要降低污泥濃度，以減少生物池液面上難以沉降的懸浮物。在系統(tǒng)連續(xù)運行27d后，排除60%的剩余污泥，此時，好氧區(qū)污泥濃度約為3010mg/L，進水中的COD能夠滿足系統(tǒng)內微生物生長代謝需求，微生物開始增殖，污泥濃度增加，如圖6所示，在14d運行期內，污泥濃度平均增加量為182mg/L·d，即每噸進水約產(chǎn)出114g剩余污泥，遠遠少于傳統(tǒng)A2/O、A/O工藝的剩余污泥產(chǎn)量。

3 結語

本研究使用北方某城鎮(zhèn)污水處理廠細格柵出水，利用污泥雙回流-AOA工藝進行處理，通過連續(xù)試驗得到COD、NH4+-N、TN和TP的平均去處效果分別為84.11%、93.48%、78.26%、92.73%，整體效果較好，說明了污泥雙回流-AOA工藝在北方城鎮(zhèn)污水廠具有推廣價值。

在系統(tǒng)連續(xù)運行27d后，排除60%的剩余污泥，對污泥濃度進行連續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在無外碳源投加的情況下，污泥雙回流-AOA工藝每噸進水剩余污泥產(chǎn)量僅為114g，遠遠低于傳統(tǒng)A2/O、A/O工藝的剩余污泥產(chǎn)量，該工藝在降低污泥產(chǎn)量方面具有明顯優(yōu)勢。

參考文獻

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